Máquinas térmicas y la Termodinámica
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Autor: Hernán Ferrari
Responsable disciplinar: Silvia Blaustein
Área disciplinar: Física
Temática: eficiencia de una máquina térmica, principios de la Termodinámica.
Nivel: Secundario, ciclo básico
Secuencia didáctica elaborada por Educ.ar
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Introducción a la actividad
La eficiencia de algunas máquinas térmicas usadas hoy en día, oscila entre el 3% para los sistemas de conversión de energía térmica del océano, el 25% para la mayor parte de los motores de automóviles, el 35% para una planta generadora de carbón supercrítico, y el 60% para una turbina de gas de ciclo combinado con enfriamiento de vapor.
Los sistemas de conversión de energía térmica del océano, emplean la diferencia de temperatura entre el agua de la superficie y el agua en las profundidades del océano, es decir, una diferencia de tal vez 25 grados Celsius, por lo que la eficiencia debe ser baja. Por otra parte, las turbinas de ciclo combinado utilizan quemadores de gas natural para calentar aire hasta cerca de 1530 grados Celsius, es decir, una diferencia de hasta 1500 grados, por lo que la eficiencia puede ser mayor cuando se añade el ciclo de enfriamiento de vapor.
La termodinámica es una rama de la física que estudia los efectos de los cambios de magnitudes de los sistemas a un nivel macroscópico. Constituye una teoría fenomenológica, a partir de razonamientos deductivos, que estudia sistemas reales sin modelizar y sigue un método experimental. Estudia los cambios ocurridos en la temperatura, presión y volumen, aunque también estudia cambios en otras magnitudes, tales como la magnetización, el potencial químico, la fuerza electromotriz, etc. Históricamente, la termodinámica se desarrolló a partir de la necesidad de aumentar la eficiencia de las primeras máquinas de vapor.
Objetivo de la actividad
Analizar la eficiencia de las máquinas térmicas y presentar los cuatro principios de la Termodinámica.
Objetivos pedagógicos
Actividad 1
Observar el siguiente video y luego, responder el cuestionario relacionado con lo observado.
a) ¿Qué tienen en común una máquina térmica real con la máquina ideal pensada por Carnot?
b) ¿Cuál es la expresión matemática que define la eficiencia de una máquina térmica?
c) Carnot se basó en el Segundo Principio de la Termodinámica para mostrar que su máquina ideal reversible era aquella con la que se podía obtener la máxima eficiencia, ¿cómo lo hizo? Obtener las imágenes necesarias del video para facilitar la explicación.
d) ¿Por qué es necesario tener un sistema de refrigeración por agua en un automóvil, del que forma parte el radiador?
e) ¿Por qué el rendimiento de una máquina térmica debe ser menor a uno? En otras palabras, ¿por qué el calor que entrega el combustible en la combustión no puede convertirse en su totalidad en trabajo mecánico?
f) ¿Cuál es el máximo rendimiento de una máquina en función de las temperaturas de las fuentes térmicas con las que trabaja?
g) ¿Cuál es la magnitud que halló Clausius que se conserva en un ciclo de la máquina de Carnot? ¿a que es igual esta magnitud en un proceso reversible?
h) Realizar un informe con el programa Write que incluya las distintas respuestas de la actividad y las conclusiones a las que haya podido arribar.
Actividad 2
Observar el siguiente video y, luego, responder el cuestionario.
i) Enunciar los cuatro principios de la Termodinámica.
j) ¿Cuál es el experimento que explica el narrador y se lleva a cabo en la academia “La tiza”? En qué sistema y con que unidades expresa la temperatura inicial del líquido el narrador? ¿cómo se relaciona esta temperatura para expresarla en la escala que utilizamos a diario, en grados centígrados o grados Celcius?
k) ¿Qué sucede con la temperatura del líquido y del hielo mientras el cubo de hielo no se derrite por completo?
l) ¿Cuáles son los ejemplos de la máquina de la naturaleza en el planeta Tierra que describe el video?¿de dónde proviene la energía que hace que esta máquina funcione ilimitadamente?
m) ¿En qué dirección se mueve naturalmente el calor entre dos fuentes a distintas temperaturas?
n) ¿Cuáles son las fuentes a distintas temperaturas que hacen que funcione un automóvil a gasolina? ¿Y en la locomotora de un tren a vapor?
o) Realizar un informe con el programa Write que incluya las distintas respuestas de la actividad y las conclusiones a las que haya podido arribar.